JP7145124B2 - Power receiving device and optical fiber power supply system - Google Patents
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Description
本開示は、受電装置及び光ファイバー給電システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to power receiving devices and fiber optic power feeding systems.
近時、電力を光(給電光と呼ばれる)に変換して伝送し、当該給電光を電気エネルギーに変換して電力として利用する光給電システムが研究されている。特許文献1には、電気信号で変調された信号光、及び電力を供給するための給電光を発信する光発信機と、上記信号光を伝送するコア、上記コアの周囲に形成され上記コアより屈折率が小さく上記給電光を伝送する第1クラッド、及び上記第1クラッドの周囲に形成され上記第1クラッドより屈折率が小さい第2クラッド、を有する光ファイバーと、上記光ファイバーの第1クラッドで伝送された上記給電光を変換した電力で動作し、上記光ファイバーのコアで伝送された上記信号光を上記電気信号に変換する光受信機と、を備えた光通信装置が記載されている。
In recent years, research has been conducted on an optical power supply system that converts power into light (called power supply light) for transmission, converts the power supply light into electrical energy, and uses the power as power.
光給電においては、光電変換素子の電力変換ロスにより、光電変換素子が発熱する。また、光給電においては、負荷の増減に応じて、給電光の強度を増減することが難しく、余剰の給電光が入力された場合、余剰の給電光が光電変換素子で熱に変換され、エネルギーの損失となる。 In optical power supply, the photoelectric conversion element generates heat due to power conversion loss of the photoelectric conversion element. In addition, in optical power supply, it is difficult to increase or decrease the intensity of the power supply light according to the increase or decrease of the load. loss.
本開示は、エネルギー損失を低減できる受電装置及び光ファイバー給電システムを提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a power receiving device and an optical fiber power supply system capable of reducing energy loss.
本開示の受電装置は、
給電光を受けて電力に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子から熱伝導可能に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子により変換された電力を負荷へ送る第1電力線と、
前記光電変換素子の異常発熱に基づいて該異常発熱に対処する異常対処部と、
を備え、
前記熱電変換素子から前記異常対処部へ電力が送られる。
The power receiving device of the present disclosure includes:
a photoelectric conversion element that receives the supplied light and converts it into electric power;
a thermoelectric conversion element arranged so that heat can be conducted from the photoelectric conversion element;
a first power line for transmitting power converted by the thermoelectric conversion element to a load;
an anomaly handling unit that copes with abnormal heat generation based on the abnormal heat generation of the photoelectric conversion element;
with
Electric power is sent from the thermoelectric conversion element to the abnormality handling unit .
本開示の光ファイバー給電システムは、
光ファイバーを介して給電光を送る給電装置と、
前記光ファイバーを介して給電光を受ける上記の受電装置と、
を備える。
The fiber optic feeding system of the present disclosure includes:
a power supply device that transmits power supply light via an optical fiber;
the power receiving device that receives power supply light via the optical fiber;
Prepare.
本開示によれば、エネルギー損失を低減できる受電装置及び光ファイバー給電システムを提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a power receiving device and an optical fiber power supply system capable of reducing energy loss.
以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。 An embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.
(1)システム概要
〔第1実施形態〕
図1に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber)システム1Aは、給電装置(PSE:Power Sourcing Equipment)110と、光ファイバーケーブル200Aと、受電装置(PD:Powered Device)310を備える。
なお、本開示における給電装置は電力を光エネルギーに変換して供給する装置であり、受電装置は光エネルギーの供給を受け当該光エネルギーを電力に変換する装置である。
給電装置110は、給電用半導体レーザー111を含む。
光ファイバーケーブル200Aは、給電光の伝送路を形成する光ファイバー250Aを含む。
受電装置310は、光電変換素子311を含む。
(1) System Overview [First Embodiment]
As shown in FIG. 1, an optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber)
Note that a power supply device in the present disclosure is a device that converts electric power into optical energy and supplies it, and a power receiving device is a device that receives supply of optical energy and converts the optical energy into electric power.
The
The
A
給電装置110は電源に接続され、給電用半導体レーザー111等が電気駆動される。
給電用半導体レーザー111は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光112を出力する。
The
The power
光ファイバーケーブル200Aは、一端201Aが給電装置110に接続可能とされ、他端202Aが受電装置310に接続可能とされ、給電光112を伝送する。
給電装置110からの給電光112が、光ファイバーケーブル200Aの一端201Aに入力され、給電光112は光ファイバー250A中を伝搬し、他端202Aから受電装置310に出力される。
The
光電変換素子311は、光ファイバーケーブル200Aを通して伝送されてきた給電光112を電力に変換する。光電変換素子311により変換された電力が、受電装置310内で必要な駆動電力とされる。さらに受電装置310は光電変換素子311により変換された電力を外部機器用に出力可能とされる。
The
給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料が500nm以下の短波長のレーザー波長をもった半導体とされる。
短波長のレーザー波長をもった半導体は、バンドギャップが大きく光電変換効率が高いので、光給電の発電側及び受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
そのためには、同半導体材料として、例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、GaN等、レーザー波長(基本波)が200~500nmのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
また、同半導体材料として、2.4eV以上のバンドギャップを有した半導体が適用される。
例えば、ダイヤモンド、酸化ガリウム、窒化アルミニウム、GaN等、バンドギャップ2.4~6.2eVのレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
なお、レーザー光は長波長ほど伝送効率が良く、短波長ほど光電変換効率が良い傾向にある。したがって、長距離伝送の場合には、レーザー波長(基本波)が500nmより大きいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。また、光電変換効率を優先する場合には、レーザー波長(基本波)が200nmより小さいレーザー媒体の半導体材料を用いてもよい。
これらの半導体材料は、給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311のいずれか一方に適用してもよい。給電側又は受電側における光電変換効率が向上され、光給電効率が向上する。
The semiconductor material constituting the semiconductor region that produces the light-electricity conversion effect of the power
A semiconductor having a short laser wavelength has a large bandgap and high photoelectric conversion efficiency, so that the photoelectric conversion efficiency is improved on the power generation side and the power receiving side of optical power supply, and the optical power supply efficiency is improved.
For this purpose, a semiconductor material of a laser medium having a laser wavelength (fundamental wave) of 200 to 500 nm, such as diamond, gallium oxide, aluminum nitride, or GaN, may be used as the semiconductor material.
As the semiconductor material, a semiconductor having a bandgap of 2.4 eV or more is applied.
For example, a laser medium semiconductor material with a bandgap of 2.4 to 6.2 eV, such as diamond, gallium oxide, aluminum nitride, or GaN, may be used.
Note that the longer the wavelength of the laser light, the better the transmission efficiency, and the shorter the wavelength, the better the photoelectric conversion efficiency. Therefore, in the case of long-distance transmission, a laser medium semiconductor material with a laser wavelength (fundamental wave) of greater than 500 nm may be used. Moreover, when the photoelectric conversion efficiency is prioritized, a semiconductor material for a laser medium having a laser wavelength (fundamental wave) of less than 200 nm may be used.
These semiconductor materials may be applied to either the power
〔第2実施形態〕
図2に示すように本実施形態の光ファイバー給電(PoF:Power over Fiber)システム1は、光ファイバーを介した給電システムと光通信システムとを含むものであり、給電装置(PSE:Power Sourcing Equipment)110を含む第1のデータ通信装置100と、光ファイバーケーブル200と、受電装置(PD:Powered Device)310を含む第2のデータ通信装置300とを備える。
給電装置110は、給電用半導体レーザー111を含む。第1のデータ通信装置100は、給電装置110のほか、データ通信を行う発信部120と、受信部130とを含む。第1のデータ通信装置100は、データ端末装置(DTEP:Date Terminal Equipment)、中継器(Repeater)等に相当する。発信部120は、信号用半導体レーザー121と、モジュレーター122とを含む。受信部130は、信号用フォトダイオード131を含む。
[Second embodiment]
As shown in FIG. 2, the optical fiber power supply (PoF: Power over Fiber)
The
光ファイバーケーブル200は、信号光の伝送路を形成するコア210と、コア210の外周に配置され、給電光の伝送路を形成するクラッド220と有する光ファイバー250を含む。
The
受電装置310は、光電変換素子311を含む。第2のデータ通信装置300は、受電装置310のほか、発信部320と、受信部330と、データ処理ユニット340とを含む。第2のデータ通信装置300は、パワーエンドステーション(Power End Station)等に相当する。発信部320は、信号用半導体レーザー321と、モジュレーター322とを含む。受信部330は、信号用フォトダイオード331を含む。データ処理ユニット340は、受信した信号を処理するユニットである。また、第2のデータ通信装置300は、通信ネットワークにおけるノードである。または第2のデータ通信装置300は、他のノードと通信するノードでもよい。
A
第1のデータ通信装置100は電源に接続され、給電用半導体レーザー111、信号用半導体レーザー121と、モジュレーター122、信号用フォトダイオード131等が電気駆動される。また、第1のデータ通信装置100は、通信ネットワークにおけるノードである。または第1のデータ通信装置100は、他のノードと通信するノードでもよい。
給電用半導体レーザー111は、上記電源からの電力によりレーザー発振して給電光112を出力する。
The first
The power
光電変換素子311は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた給電光112を電力に変換する。光電変換素子311により変換された電力は、発信部320、受信部330及びデータ処理ユニット340の駆動電力、その他の第2のデータ通信装置300内で必要となる駆動電力とされる。さらに第2のデータ通信装置300は、光電変換素子311により変換された電力を外部機器用に出力可能とされていてもよい。
The
一方、発信部120のモジュレーター122は、信号用半導体レーザー121からのレーザー光123を送信データ124に基づき変調して信号光125として出力する。
受信部330の信号用フォトダイオード331は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた信号光125を電気信号に復調し、データ処理ユニット340に出力する。データ処理ユニット340は、当該電気信号によるデータをノードに送信し、その一方で当該ノードからデータを受信し、送信データ324としてモジュレーター322に出力する。
発信部320のモジュレーター322は、信号用半導体レーザー321からのレーザー光323を送信データ324に基づき変調して信号光325として出力する。
受信部130の信号用フォトダイオード131は、光ファイバーケーブル200を通して伝送されてきた信号光325を電気信号に復調し出力する。当該電気信号によるデータがノードに送信され、その一方で当該ノードからのデータが送信データ124とされる。
On the other hand, the
The
A
The
第1のデータ通信装置100からの給電光112及び信号光125が、光ファイバーケーブル200の一端201に入力され、給電光112はクラッド220を伝搬し、信号光125はコア210を伝搬し、他端202から第2のデータ通信装置300に出力される。
第2のデータ通信装置300からの信号光325が、光ファイバーケーブル200の他端202に入力され、コア210を伝搬し、一端201から第1のデータ通信装置100に出力される。
Feeding light 112 and signal light 125 from the first
Signal light 325 from second
なお、図3に示すように第1のデータ通信装置100に光入出力部140とこれに付設された光コネクタ141が設けられる。また、第2のデータ通信装置300に光入出力部350とこれに付設された光コネクタ351が設けられる。光ファイバーケーブル200の一端201に設けられた光コネクタ230が光コネクタ141に接続する。光ファイバーケーブル200の他端202に設けられた光コネクタ240が光コネクタ351に接続する。光入出力部140は、給電光112をクラッド220に導光し、信号光125をコア210に導光し、信号光325を受信部130に導光する。光入出力部350は、給電光112を受電装置310に導光し、信号光125を受信部330に導光し、信号光325をコア210に導光する。
以上のように、光ファイバーケーブル200は、一端201が第1のデータ通信装置100に接続可能とされ、他端202が第2のデータ通信装置300に接続可能とされ、給電光112を伝送する。さらに本実施形態では、光ファイバーケーブル200は、信号光125,325を双方向伝送する。
As shown in FIG. 3, the first
As described above, the
給電用半導体レーザー111及び光電変換素子311の光‐電気間の変換効果を奏する半導体領域を構成する半導体材料としては上記第1実施形態と同様のものが適用され、高い光給電効率が実現される。
The same semiconductor material as in the first embodiment is applied as the semiconductor material constituting the semiconductor region that produces the light-electricity conversion effect of the power
なお、図4に示す光ファイバー給電システム1Bの光ファイバーケーブル200Bように、信号光を伝送する光ファイバー260と、給電光を伝送する光ファイバー270とを別々に設けてもよい。光ファイバーケーブル200Bも複数本で構成してもよい。
As in the
(2)受電装置の損失低減手段
次に、受電装置の損失低減手段について説明する。
〔第3実施形態〕
図5は、損失低減手段が適用された第3実施形態の受電装置を示す構成図である。図5中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
(2) Loss Reduction Means of Power Receiving Device Next, loss reduction means of the power receiving device will be described.
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a configuration diagram showing a power receiving device according to a third embodiment to which loss reducing means is applied. In FIG. 5, the same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
第3実施形態の受電装置310Cは、給電光112を受けて電力に変換する光電変換素子311と、光電変換素子311から熱伝導可能に配置された熱電変換素子314と、光電変換素子311から負荷390へ電力を伝送する電力線312と、熱電変換素子314から負荷390へ電力を伝送する電力線315と、電力線312、315上に介在された電流逆流防止回路319とを備える。光電変換素子311の受光側にはレンズ313が配置されていてもよい。
The
負荷390は、例えば、データ処理ユニット340、その他の機能モジュール、外部機器、又は、これらのいずれか複数であってもよい。
電流逆流防止回路319は、例えば各電力線312、315上に配置された逆流防止ダイオードD1、D2を含み、光電変換素子311から熱電変換素子314並びにその逆に電流が流れることを防止する。
The current
熱電変換素子314は、例えばゼーベック効果により光電変換素子311の熱を一方に受けて電圧を発生する。光電変換素子311の発熱量が増し、熱電変換素子314の熱勾配が一定以上になると、熱電変換素子314の出力電圧が高まる。そして、熱電変換素子314の出力電圧が所定電圧を超えると、逆流防止ダイオードD2に電流が流れて、熱電変換素子314から負荷390へ電力が出力される。なお、熱電変換素子314の小さい出力電圧から高い電圧を生成し、負荷390へ送る昇圧回路が、電力線315上に介在されてもよい。
The
以上のように、第3実施形態の受電装置310Cによれば、給電光112を受けて、発熱した光電変換素子311の熱が、熱電変換素子314で電力に変換され、負荷390に供給される。したがって、受電装置310Cのエネルギー損失を低減できる。
さらに、負荷変動又は給電光112の光量に変動が生じ、給電光112に余剰分が生じたり不足分が生じたりする場合を想定する。このような場合、熱電変換素子314の電力変換により、余剰な給電光112により生じた熱は、時間をずらして熱電変換素子314で電力に変換される。そして、このように変換された電力が、給電光112に不足分が生じたタイミングで負荷390へ供給できる。したがって、第3実施形態の受電装置310Cによれば、給電光112の余剰分と不足分とを均一化する作用を得ることができる。
As described above, according to the
Furthermore, it is assumed that the load changes or the light amount of the
第3実施形態の受電装置310Cは、図1、図2、図4の受電装置310と置き換えることで、図1、図2、図4の光ファイバー給電システム1A、1、1Bに適用することができる。
The
〔第4実施形態〕
図6は、損失低減手段が適用された第4実施形態の受電装置を示す構成図である。図6中、上述したものと同一の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
[Fourth embodiment]
FIG. 6 is a configuration diagram showing a power receiving device according to a fourth embodiment to which loss reducing means is applied. In FIG. 6, the same components as those described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
第4実施形態の受電装置310Dは、第3実施形態の構成に加えて、例えば光電変換素子311が高温になるなどの異常が生じた場合に、この異常の対処を行う異常対処部317を備える。異常対処部317は、負荷の一部である。さらに、第4実施形態においては、電力線315が異常対処部317に接続され、熱電変換素子314から異常対処部317へ電力が送られる。
The
異常対処部317は、例えば、冷却ファンであり、異常発熱した光電変換素子311並びにその周辺構成を冷却する。あるいは、異常対処部317は、例えば光電変換素子311の異常発熱に基づき、給電光112の出力を停止するよう、給電装置110へ要求信号を出力する通信装置であってもよい。通信装置は、メタル回線、無線又は光ファイバーを介して信号を出力する構成であってもよい。あるいは、異常対処部317は、受電装置310Dの受光部が異常発熱したときに、発熱箇所を映像信号として出力する撮影装置であってもよい。
The
このような構成によれば、光電変換素子311が異常発熱した場合、この熱を利用して、例えば冷却ファンにより発熱箇所を冷却したり、給電光112の出力を停止させたり、発熱箇所を映像出力するなどの、異常に対処する処理を実行できる。
According to such a configuration, when the
仮に、光電変換素子311が故障する一方、給電光112の入力が継続されたとする。このような場合、故障により光電変換素子311からの電力供給が減少又は停止する一方、給電光112の入力が続いて光電変換素子311が異常発熱する。このような場合、光電変換素子311の出力電力だけで、異常対処部317を駆動しようとすると、電力低下により、異常対処部317を正常に駆動できない恐れがある。しかしながら、第4実施形態の受電装置310Dでは、このような場合でも、熱電変換素子314からの電力で、異常対処部317を駆動し、異常に対処することができる。
Assume that the input of the
なお、第4実施形態の受電装置310Dでは、熱電変換素子314の電力線315を、光電変換素子311の電力線312と合流せずに、異常対処部317へ接続した例を示した。しかし、第4実施形態においても、第3実施形態の受電装置310Cと同様に、電力線312、315が互いに合流され、合流された電力線を介して電力が異常対処部317へ供給される構成としてもよい。
In the
第4実施形態の受電装置310Dは、図1、図2、図4の受電装置310と置き換えることで、図1、図2、図4の光ファイバー給電システム1A、1、1Bに適用することができる。
The
以上本開示の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として示したものであり、この他の様々な形態で実施が可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成要素の省略、置き換え、変更を行うことができる。 Although the embodiment of the present disclosure has been described above, this embodiment is shown as an example, and can be implemented in various other forms. , can be replaced and changed.
1A 光ファイバー給電システム
1 光ファイバー給電システム
1B 光ファイバー給電システム
100 第1のデータ通信装置
110 給電装置
111 給電用半導体レーザー
112 給電光
120 発信部
125 信号光
130 受信部
140 光入出力部
141 光コネクタ
200A 光ファイバーケーブル
200 光ファイバーケーブル
200B 光ファイバーケーブル
210 コア
220 クラッド
250A 光ファイバー
250 光ファイバー
260 光ファイバー
270 光ファイバー
300 第2のデータ通信装置
310 受電装置
310C 受電装置
310D 受電装置
311 光電変換素子
312 電力線(第2電力線)
314 熱電変換素子
315 電力線(第1電力線)
317 異常対処部
319 電流逆流防止回路
D1、D2 逆流防止ダイオード
320 発信部
325 信号光
330 受信部
350 光入出力部
351 光コネクタ
390 負荷
1A Optical fiber
314
317
Claims (3)
前記光電変換素子から熱伝導可能に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子により変換された電力を負荷へ送る第1電力線と、
前記光電変換素子の異常発熱に基づいて該異常発熱に対処する異常対処部と、
を備え、
前記熱電変換素子から前記異常対処部へ電力が送られる受電装置。 a photoelectric conversion element that receives the supplied light and converts it into electric power;
a thermoelectric conversion element arranged so that heat can be conducted from the photoelectric conversion element;
a first power line for transmitting power converted by the thermoelectric conversion element to a load;
an anomaly handling unit that copes with abnormal heat generation based on the abnormal heat generation of the photoelectric conversion element;
with
A power receiving device in which power is sent from the thermoelectric conversion element to the abnormality handling unit .
請求項1記載の受電装置。 The first power line is connected via a backflow prevention circuit to a second power line that transmits the power converted by the photoelectric conversion element to a load,
The power receiving device according to claim 1 .
前記光ファイバーを介して給電光を受ける請求項1又は請求項2に記載の受電装置と、
を備える光ファイバー給電システム。 a power supply device that transmits power supply light via an optical fiber;
3. The power receiving device according to claim 1 , which receives power supply light via the optical fiber;
An optical fiber feeding system with
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